板坯连铸机动态轻压下系统辊缝误差分析

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《冶金自动化》2011 年 S1
在分析了该 扇 形 段 的 结 构 后，发 现 扇 形 段 上 机 架 和连杆相对 于 下 机 架 强 度 较 弱，所 以 取 扇 形 段 的 上机架和连 杆 机 构 进 行 变 形 计 算，认 为 下 机 架 为 刚性机构。按扇形段图纸尺寸建立了实物大小的 上机架和连杆机构的模型，如图 2 所示。
（ 2） 通过计算机架在不同压力下的变形量， 根据铸机扇 形 段 工 作 时 的 液 压 缸 压 力，把 变 形 量 的值补偿至 动 态 轻 压 下 系 统 的 软 件 界 面 中，使 实 际的辊缝与位置传感器测得的辊缝误差降低至最 小，确保压下量的精确度，从而保证铸坯内部质量 的稳定。
由于采用第 1 种方法需要增加额外成本，且 会延长安装 工 期，在 调 试 该 钢 厂 的 板 坯 铸 机 轻 压 下过程中，我们采用了第 2 种方法。2010 年 6 月 铸机正式投 入 生 产 后，压 下 量 达 到 了 工 艺 设 计 人 员的要求，铸坯中心质量得到很好改善，取得了很 好的经济效益。
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
0.3 6 8 10 12 14 16 18 20 22 压力/MPa
图 4 模型计算的变形量与液压缸压力的关系
由于变形 量 的 线 性 变 化 规 律，随 着 动 态 轻 压 下系统的压下量的加大，机架的变形也会变大，实 际的辊缝值与位置传感器检测的辊缝值之间的误 差也会变大。从而使压下量偏离工艺人员设计的 值，导致铸 坯 中 心 质 量 的 不 稳 定。 如 果 能 通 过 实 际检测确认 该 变 形 量 的 规 律 与 实 际 的 相 符，就 可 以通过在轻 压 下 工 作 时，按 以 上 变 形 量 大 小 在 软 件中实时补 偿 位 置 传 感 器 的 辊 缝 值，使 其 与 实 际 的扇形段辊缝值接近或一致。
参考文献：
［1］Yim C H J K，You B D． The effect of soft reduction on center segregation in C． C． slab ［J］． ISIJ International， 1996，36 （ S） ： 231-243．
［2］Byrne C，Tercelli C． Mechanical soft reduction in billet casting ［J］． Steel Times International，2002，26 （ 9 ） ： 33-35．
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板坯连铸机动态轻压下系统辊缝误差分析
田 陆，王文旺，杨建桃，崔广礼，聂芬芳
（ 湖南镭目科技有限公司 机械部，湖南 长沙 410007）
摘要： 在调试某钢厂板坯动态轻压下系统过程中，发现扇形段实际辊缝与位置传感器显示辊缝值之间存在误 差。该误差值使实际压下量与工艺设计的压下量不一致，从而导致了铸坯中心质量不稳定。在分析了钢厂板坯 连铸机扇形段结构后，发现扇形段自身的变形是导致误差产生的主要原因。通过对扇形段受力变形进行了计 算机模拟计算，再通过对铸机在线扇形段实际测量实验，验证模拟计算的结果，得到了辊缝误差值产生的规律， 并提出了消除误差的方法。 关键词： 动态轻压下； 辊缝误差； 中心偏析； 位置传感器
图 5 扇形段实测变形量与液压缸压力的关系
测量实验 中，只 使 用 了 铸 机 生 产 时 的 几 种 常 用压力，但实际测量结果与图 4 的变化趋势很接 近，具体的 变 形 量 大 小 也 很 接 近。 这 说 明 所 建 的 扇形段计算模型的变形情况与实际扇形段工作时 的变形情况 较 接 近，计 算 的 结 果 和 实 测 的 结 果 都 可以用来指导铸机的生产工作。
［3］姚 山，王廷利，侯忠霖，等． 轻压下对连铸坯中心缺陷 作用的量化模型研究［J］． 钢铁，2007，42（ 5） ： 29-32．
［4］冯 科． 板坯连铸机轻压下扇形段的设计特点［J］． 炼钢，2006（ 2） ： 56-59．
［5］谢长川，张炯明，王新华，等． 动态轻压下技术的研发及 运用［J］． 钢铁，2009，44（ 12） ： 104-108． ［编辑： 谢 红］
这种结构 安 装 维 护 简 单，液 压 缸 对 位 置 传 感 器起保护 作 用，且 无 需 对 传 感 器 进 行 冷 却。 但 这 种安装方式 有 不 可 避 免 的 缺 点，就 是 当 扇 形 段 实
传感器电子舱 液压缸缸筒 传感器测杆 位置磁环
活塞杆
图 1 位置传感器安装示意图
际辊缝并没有变化的情况下，由于活塞杆（ 机架连 杆） 受拉变形或上下机架连接销轴的受力变形后， 使得磁环与 测 杆 之 间 会 发 生 相 对 位 移，该 位 移 值 使动态轻压下系统误认为辊缝发生了变化并产生 相应的压下 量，导 致 实 际 的 压 下 量 与 工 艺 设 计 的 压下量不 符，从 而 导 致 铸 坯 质 量 不 稳 定。 本 文 主 要从计算机模拟计算和对扇形段实际的在线测量 两个方面入 手，旨 在 能 得 到 扇 形 段 具 体 的 变 形 量 的大小，并找 到 消 除 该 变 形 量 带 来 的 辊 缝 误 差 的 办法，最终为 钢 厂 的 动 态 轻 压 下 系 统 的 使 用 效 果 提供保障。
（ 1） 改进位置传感器安装方式。将位置传感 器安装在扇 形 段 液 压 缸 的 外 部，即 采 用 外 挂 式 位 置检测装置，将 装 置 直 接 安 装 固 定 在 扇 形 段 上 下 机架之间，直 接 测 量 实 际 的 辊 缝 变 化。 这 种 安 装 方式需要设 计 外 挂 式 位 置 检 测 装 置，且 需 要 对 位 置检测装置进行很好的冷却。
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变形量/mm
抬起和压下机架 1 次） 。在每种压力下，记录 4 个 液压缸位置 传 感 器 的 辊 缝 值，并 且 用 手 持 辊 缝 仪 测量实际 的 辊 缝 值。 发 现 随 着 压 力 增 大，在 垫 块 没有变形及 实 际 辊 缝 没 有 变 化 的 情 况 下，位 置 传 感器读得的辊缝值与本文开始分析的一样在不断 变小，并且位 置 传 感 器 读 得 的 辊 缝 值 与 实 际 的 辊 缝值的差值在变大。 2. 2 测量结果
活塞杆径 / m 工作面积 / m2 输出力 / N
0. 18
0. 113 04 904 320
0. 18
0. 113 04 1 356 480
0. 18
0. 113 04 1 582 560
0. 18
0. 113 04 1 808 640
0. 18
wk.baidu.com
0. 113 04 2 373 840
软件采用美国 DDS 公司的 Simulation，将建好 的 3D 模型网格化，如图 3 所示。网格雅可比点数 为 4 点，单 元 大 小 约 为 126 mm，单 元 总 数 为 24 606。假定约束为连杆与下机架的连接座，作用 力施加在上机架底部，大小为 4 个液压缸输出力 的合力。
压下区间、压 下 量 及 压 下 速 率 是 轻 压 下 技 术 的 3 个主要技术参数。连铸机压下量控制有两种 主要方式，一 种 是 在 铸 机 扇 形 段 上 带 有 压 力 反 馈 装置，通过检 测 压 力 变 化 来 确 定 压 下 区 间 和 压 下 量，即压力控制模式［4］； 另一种是在铸机扇形段夹 紧液压缸内 安 装 有 磁 致 伸 缩 位 置 传 感 器，实 时 检 测并调整各 扇 形 段 辊 缝 值 及 控 制 压 下 量 大 小，即 位置控制模式［5］。位置传感器安装如图 1 所示。 传感器分电子舱、测杆和位置磁环 3 个部分，其位 置磁环与活塞杆固定一体，电子舱、测杆与液压缸 筒固定一体。当扇形段夹紧液压缸驱动机架辊缝 变化时，磁环与测杆间发生相对位移，从而使位置 传感器反馈相应的辊缝变化值。
图 3 扇形段上机架和连杆机构模型网格化图
变形量/mm
按表 1 的力的大小，分别施加受力面上，得到 各种受力下的整个机构的变形量，经过整理分析， 得出计算结果。 1. 2 计算结果
根据以上 计 算 的 结 果，整 理 出 模 型 计 算 的 变 形量与液压缸压力的关系，如图 4 所示。通过该 图可以看出，当作用力变大时，计算得到的变形量 也随着图示规律变化。
2 实际扇形段变形量测量
2. 1 测量方法 为了确认以上计算的变形量变化规律是否与
实际的变化规律一致。还开展了多次实际辊缝变 化检测实验。实验的思路是在上下机架间垫上垫 块，使扇形段的实际辊缝值不得变化，逐渐增大 4 个液压缸的压力，看位置传感器的读数是否变化， 如果变化，则 看 具 体 的 变 化 量 是 多 少。 具 体 步 骤 是，选择一段位于压下区间内的扇形段，在扇形段 上下机架间垫上 4 块整体经调质处理，表面淬火 深度在 3 mm 左右的 45 号钢垫块。用手持辊缝仪 测得初始辊缝值，然后按表 1 中的压力值，逐渐分 级调高扇形段压力，操作现场控制箱，操作机架抬 起和压下（ 为了使测量准确，每调整 1 次压力，就
将记录的位置传感器辊缝值整理后得出扇形 段实测变形量与液压缸压力的关系，如图 5 所示。 通过该图可 以 看 出，实 际 测 量 得 到 的 机 架 变 形 量 也随压力升高按图示规律变化。
1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
6 8 10 12 14 16 18 20 22 压力/MPa
0 前言
轻压下工 艺 针 对 各 钢 种 的 凝 固 特 性，尤 其 是 其凝固收缩 特 性，制 定 合 理 的 压 下 工 艺 来 抑 制 中 心偏析、中心疏松的发生，是提高铸坯内部质量的 重要技术手段［1］。其原理即在连铸坯凝固末端附 近施加合适 压 下 力，产 生 一 定 的 压 下 量 来 补 偿 铸 坯的凝固收缩量，促使铸坯该区域内的钢水流动， 抑制浓化钢水聚集［2］。动态轻压下系统可根据铸 机生产时的各种工艺条件（ 拉速、钢种、水量等） 实 时调节压下 量 和 压 下 位 置，从 而 最 大 程 度 减 少 中 心偏析和中心疏松，提高铸坯内部质量［3］。
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1 计算机模拟计算
1. 1 计算条件 某连铸机 为 新 投 产 一 机 一 流 板 坯 连 铸 机，主
要断面为 250 mm × 2 200 mm，扇形段工作状态良 好。4 个夹紧油缸位于上机架，通过 4 根 80 mm 厚 连杆与下 机 架 相 连，夹 紧 钢 坯 时 为 有 杆 腔 进 油。
收稿日期： 2010-08-26； 修改稿收到日期： 2010-10-13 作者简介： 田 陆（ 1962-） ，男，河北石家庄人，高级工程师，博士研究生，主要从事连铸工艺与设备研发方面的工作。
夹紧液压缸 调整垫块 上连接头
连杆 下连接头
扇形段上机架
图 2 扇形段上机架和连杆机构 3D 模型
根据液压缸的缸径和液压系统常用的几种压 力，由压强公式，计算得出单个液压缸的输出力如 表 1 所示。
表 1 液压缸在不同系统压力下的输出力
压力 / MPa 8 12 14 16 21
缸径 /m 0. 42 0. 42 0. 42 0. 42 0. 42
3 结论
不管是计算机建模计算还是扇形段在线的实 时测量，都明确地显示，扇形段在动态轻压下系统 工作时都会发生变形。且由于位置传感器的安装 方式的局限 性，在 扇 形 段 实 际 辊 缝 没 有 变 化 的 情 况下，由于扇形段自身零部件的变形，导致位置传
感器读得的 辊 缝 与 实 际 的 辊 缝 产 生 误 差，从 而 使 软件产生超出工艺设计的压下量。通过建模计算 和实际在线测量，找到辊缝误差产生的规律后，我 们可以从以 下 两 方 面 入 手，最 终 消 除 误 差 带 来 的 影响。